永不停歇的“华尔兹”——电动机技术的创新

更高使用效率、更低代价成本、更为优异的整体性能。只要电与磁的“华尔兹”永不停歇，电动机技术向未来突破的所有路径，都应该朝着这些方向进发。

电动机在电动汽车、工业自动化和可再生能源等领域的广泛应用，大家都已经有目共睹。或许圈外人觉得其实现在就已经做得很不错了，可圈内的相关技术专家们，实际上并不这么认为。他们不满足于当下的技术成就，而是对于未来如何能继续推动电动机在性能、效率和可持续性上的技术创新，始终充满了无比期待。

让研发持续高效

上文我们也提到过，在一台汽车之上遍布了各种各样的电动机零部件。它们虽然基于相同的基础原理，却有不同的技术路线；它们同样依赖电力能源，却有着不同的适用范围。在制造工艺以及方式方法中，会有着数之不尽的各类要求，特别是对于如雨后春笋般面世的新车型，研发验证效率十分关键。

增材制造与传统的减材加工制造技术不同，它大幅节约了原材料在去除、切削、再加工过程中的消耗，同时不受传统加工工艺的限制，可以在产品设计环节进行优化或自由重塑，极大降低了后续工艺流程的工作难度和时间损耗。3D打印作为增材制造之中的佼佼者来得正是时候。3D打印可以大幅缩短产品开发周期，快速制造和测试原型，提高研发效率。

特别适合个性化需求和小批量试（生）产，降低制造成本。通过3D打印可以制造出传统制造方法难以实现的复杂几何形状，若3D打印再结合拓扑优化技术，那么对于制造出重量更轻、结构更坚固的电动机部件无疑有极大的帮助。对于电动机研发人员特别友好的是基本可以达成所见即所得的效果。

让材料得以升华

如何能让电动机实现更高的效率、更轻的重量、更好的热管理和更长的寿命。首先考虑的无疑是制造电机的原材料。近年的实验研究表明，高性能新材料在电机制造中的开发和应用效果是立竿见影的。特别是纳米技术发展到一定阶段，与其相关的衍生技术几乎能覆盖整个电机的方方面面。

纳米复合材料具有优异的力学性能和热导率，可以用于制造电动机的定子和转子，提高电动机的热管理能力和结构强度。含有纳米碳管或石墨烯的复合材料显著增强电动机的导电性和散热性能；纳米磁性材料（如纳米铁氧体、纳米钴基合金等）具有更高的磁导率和磁场强度，提高电动机磁性能，使其在更小体积内产生更强的磁场，有助提高电动机的功率密度和效率；纳米流体是一种含有纳米颗粒的冷却液，其热传导性能优于传统冷却液。在电动机冷却系统中使用纳米流体可以提高散热效率，防止电动机过热，从而提高电动机的性能和可靠性；超导纳米线，能够显著降低电动机的电阻损耗，提高效率。

仅纳米技术与相关材料，对于电动机技术创新就有着如此之多的亮点。碳纤维复合材料也不遑多让，在减轻电机自重，提高功重比的方面，碳纤维复合材料已经被尝试应用于电动机的结构部件，如转子和外壳。碳纤维复合材料同样也能满足应对电机高温和热膨胀系数的挑战。而在此之前镁合金早已经成为了替代传统铝合金或钢材的先行者。石墨烯极佳的高导热性能，有望成为电动机中的导热材料，帮助快速散热从而提升电动机的稳定性和寿命。

让工艺精细进化

光有新型材料还不行，电动机内部包含许多精密的机械部件，转子、定子、轴承、齿轮等等。都需要高度精确的制造与装配，才能确保电动机平稳运行和高效能量转换。任何微小的机械误差都会导致电动机的振动、噪音增大，甚至可能导致机械故障。

虽然如今传统的制造工艺已经尽力达成上述要求，但若有更为精细的手段何乐而不为。为此技术人员已经开始使用激光加工技术去实现更高精度的微细加工，提高电动机零部件的加工精度和表面质量。更尝试把电火花加工（EDM）技术应用在硬质材料和复杂形状的电机加工，进一步制造出高精度的电动机部件。

为管理加入智能

智能化与自动化在电动机技术之中扮演了双重角色。在生产制造之中，采用工业4.0技术，可以实现电动机制造过程的数字化和智能化。这其中逐步减少人工参与环节，而更多利用机器人进行电动机的全面自动化装配，能极大提高良品率、生产效率和一致性。

在电动机产品之中，新式的嵌入式温度传感器能实时检测电动机温度，而振动传感器则预防机械故障以及预测电动机健康程度与寿命。还可通过物联网技术与数据分析的加入，让原本属于个体的电动机成为遍布各处的终端传感器，为整体设备进行实时监控与预测性维护。

让“华尔兹”永不停歇

技术路线的突破与实现，往往是在原有技术路线基础上，根据已知优缺点，从相关领域所达到的技术新高度衍生而来。电动机如今的主流技术路线或多或少都有着自己明显的优缺点。在保持原有优点的情况下，设法减轻或者彻底解决原有缺点成为全新技术路线的主要突破思路。

西门子、博世以及通用等企业所提出的磁悬浮电动机技术，核心是磁悬浮系统和电动机系统结合而来的。其着眼于解决因设计结构导致的磨损寿命问题。该技术通过主动与被动两种方式实现转子的磁悬浮，主动悬浮利用电磁铁和传感器实时调节磁场强度，动态稳定转子的悬浮位置；被动悬浮则是利用永磁材料的相互排斥力或特殊的磁性结构实现转子的自发悬浮。

电读懂部分依然采用无刷直流电动机（BLDC）或永磁同步电动机（PMSM）结构，通过电磁感应产生驱动力矩。磁悬浮电动机最大的特点在于没有机械接触，转子在磁悬浮状态下无摩擦运转，减少了能量损耗和磨损，提高了效率和使用寿命。也正因为没有摩擦限制，磁悬浮电动机可以实现极高的转速，使用寿命更长，维护需求低，适用于需要高转速的应用场景。目前主要针对的应用领域为工业用的高速离心机与真空泵；交通运输的高速列车与电动汽车；医疗领域的磁共振成像以及人工心脏等。

结语

与任何一个技术领域类似，电动机技术的创新是一个多学科合作的整体工程，需要持续的研发投入和对应政策支持，更需要市场积极参与和反馈。我们无需担心电动机技术能否创新，何时创新，只要保持对于严谨科学的憧憬，许多如今看似还不成熟的技术路线最后终将得以实现。无论如何在我们的物理世界之中，电与磁这的“华尔兹”舞曲，将永不停歇。

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